馬俊 李珊 顧鵬程 王其傳 吳亞勝

摘 要 叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）廣泛存在于自然界中，在提高植物抵抗病害脅迫中起到積極作用。為進一步加快農業(yè)投入品的減量增效步伐，提高生物防治在農作物種植中的應用比例，總結了近年來國內外在叢枝菌根真菌對植物病害的影響及其作用機制的研究進展，同時展望了叢枝菌根真菌的進一步研究及應用方向。

關鍵詞 叢枝菌根真菌；植物病害；抗病機制；次生代謝物

中圖分類號：S476.9 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.02.009

叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是一種活體營養(yǎng)型的土壤真菌，從屬于球囊菌門（Glomeromycota），能與約80%的陸生植物根系形成互利共生關系[1]。AMF通過侵染植物根系與植物建立共生關系，并顯著改善植物礦質營養(yǎng)和水分吸收及運輸，對植物的生長起到促進作用。這種作用類似于豆科植物與根瘤菌的共生關系，但又具有其獨特性，如可以在植物抵抗非生物和生物脅迫過程中起到積極的作用。農作物在生長過程常受到病蟲害的影響，產量出現嚴重下降。傳統利用殺菌劑處理病蟲害的方式不僅會引起農藥殘留問題，而且嚴重影響我國農業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，迫切需要一種替代性的安全措施。AMF可作為植物病害的潛在生物防治劑，在農業(yè)領域可作為化學農藥的有效替代品，有利于提高農業(yè)生產可持續(xù)性，助力解決化學農藥殘留對人們健康的危害問題。

1 AMF對植物病害的影響

叢枝菌根真菌在植物病害中的作用已有大量研究。SAFIR等首次發(fā)現洋蔥接種AMF能降低由洋蔥粉色根腐病菌（Pyrenochaeta terrestris）引起的粉色根腐病的發(fā)生率[2]。已有大量文獻證實預先接種AMF的寄主植株可以增強植物對病害的抗性，且菌根侵染率與植物發(fā)病率有直接關系[3]。AMF可以減輕一些病害的嚴重程度，如真菌病原物、病毒、細菌及線蟲等。接種AMF能夠顯著促進植株生長，增強其對土傳病原菌的抗性，改善連作土壤環(huán)境，從而減輕蘋果連作障礙，對西瓜立枯病、水稻稻瘟病、草莓枯萎病、茅蒼術根腐病害等也有效果[4-8]。AMF與其他有益菌的聯合對病害的防治效果也有廣泛研究，目前普遍認為AMF與其他微生物聯用可以有效提高植物的抗病性[9]。

2 AMF影響植物病害的作用機制

植物-叢枝菌根真菌相互作用的研究主要集中在植物營養(yǎng)-碳交換的生理機制和控制上。人們對菌根提供非營養(yǎng)益處的機制還不是很清楚，如抑制土傳疾病和增強植物對病害的抗性機制。有研究認為AMF對植物抗病能力的提高作用主要是因為改善了植株的礦質營養(yǎng)狀況，但一般認為AMF提高寄主植物抗病性的機制包括改善根系形態(tài)結構、提高植物營養(yǎng)吸收能力、提高其競爭能力、改善根際微生物環(huán)境、誘導植物產生抗性等[10]。

與未接種AMF植株相比，菌根植物會產生防御相關的分子物質，如酚類物質（Phenolics）、獨腳金內酯（Strigolactone，SL）等生物活性物質，這些物質在植物防御反應體系中起到重要作用。研究認為，AMF可促進植物產生大量的植物抗毒素（Phytoalexins）、苯丙烷類代謝途徑酶（Enzymes of the phenylpropanoid pathway）、幾丁質酶（Chitinases）、β-1，3-葡聚糖酶（β-1，3-glucanases）、過氧化物酶（Peroxidases）、致病相關蛋白（Pathogenesis-related proteins）、胼胝質（Callose）、富羥脯氨酸糖蛋白（Hydroxyproline-Rich Glycoproteins，HRGP）和酚類物質（Phenolics）[11-12]。菌根植物對根際病原菌有更強的耐受性，配合育種技術可以使植物具有更強的抗病性。AMF在侵染過程中與病原菌競爭侵染位點和能源物質，根系表皮在遭到病原菌入侵時，細胞壁不斷木質化、硅質化，加大了病原菌的入侵難度，從而提高植物抗病性[13]。

2.1 AMF對植物生長的影響

AMF與植物形成共生關系，在寄主植物根系中形成網絡結構，可以促進植物對土壤中氮、磷、鉀等礦質元素的吸收，使植物更具有活力，從而增強植物抗性，彌補了病原體引起的植物生物量和功能的損失。如當與寄主葡萄的根系形成共生關系后，AMF可以起到有效的促生作用，這可能與AMF增加了植株的氮、磷、鉀等礦質元素含量、促進植物光合作用有關；接種AMF的葡萄組培苗根系活力及根系磷酸酶活性顯著增強，根系中礦質養(yǎng)分顯著提高，光合作用效率得到提高，同化產物積累增加，有效提高幼苗移栽成活率[14]。

2.2 AMF對植物代謝物質的影響

酚類是植物重要的次生代謝產物，如類黃酮、酚酸和單寧等，這些物質在結構上具有一定的共性，即芳香環(huán)上氫原子被羥基或其他功能基團所取代。這些物質參與植物逆境防御，并起到重要作用，AMF與植物根系建立互利共生關系后，對植物的次生代謝物質的合成也具有重要影響。

李建福和王明元在研究中發(fā)現，接種AMF后，在植物根系形成菌根的過程中會誘導植物產生酚類物質，如黃酮醇、咖啡酸、槲皮黃酮、對羥基苯甲酸和類黃酮等[15]。酚類物質在AMF-寄主植物共生體中可能的作用機制主要包括AMF可以影響植物體內酚類物質的產生，酚類物質也對AMF的生長繁殖產生影響，如孢子的萌發(fā)、菌絲的分枝，酚類物質還可能具有加強AMF與寄主植株的共生關系等作用。

有研究證明，AMF共生改善了葡萄對柱孢屬和蜜環(huán)菌屬等根系真菌性病原菌的耐受性，還提高了對體外寄生的土壤根結線蟲和劍線蟲的抗性[9，16-18]。有研究發(fā)現，不同葡萄品種接種AMF后，在霜霉病和灰霉病侵染時，芪類化合物活躍成分含量上升，芪類化合物合成途徑中的苯丙氨酸酶（PAL）、芪合酶（STS）和白藜蘆醇-氧-甲基轉移酶（ROMT）基因表達上調[19]。接種AMF可以增強葡萄接觸空氣部分的防御反應能力以應對活體和死體的病菌，而且受到基因種類、植物栽培種和病毒類型不同的強烈影響[20]。

AMF增加植物次生代謝物質具有以下特點：1）不同AMF菌種對植物次生代謝產物的影響不同；2）AMF對植物不同部位的次生代謝產物影響程度不同；3）AMF對植物次生代謝產物的影響受到環(huán)境條件限制；4）混合接種效果要好于單獨接種；5）接種時植物的生長狀態(tài)也會對植物次生代謝物質含量產生影響；6）添加適量的氮、磷、鐵等礦質元素能夠促進次生代謝產物的積累[20]。

在AMF對植物次生代謝物質合成產生影響的同時，AMF侵染植物根系的分泌物也可以從不同程度上影響土壤中微生物組成。在AMF侵染對葡萄在連作土壤中生長研究中，接種AMF的葡萄扦插幼苗，其地上、地下部分生理指標及根系分泌物種類與含量均受到菌根的積極作用，如提高葡萄地上及地下生長量，提高葉片抗氧化酶及根系活力，并且改善根系分泌物質及土壤環(huán)境[21]。

3 AMF誘導植物抵抗病害的作用機制

AMF在侵染植物根系后可以激發(fā)植物病害防御系統，這與菌根誘導抗性（Mycorrhiza-Induced Resistance，MIR）有關。CAMERON等提出，MIR對寄主植物提供了廣泛的系統保護作用，并與病原菌侵染后的系統獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance，SAR）和非病原菌侵染后的誘導系統抗性（Induced Systemic Resistance，ISR）具有相同的特征[22]。在AMF侵染根皮層時，根系會分泌獨腳金內酯，而植物體對AMF的反應與活體營養(yǎng)病原體引起的防御反應相似，植物天然免疫系統識別真菌的微生物相關分子模式（MAMPs），觸發(fā)免疫并產生信號抑制，由此誘導SAR啟動。

AMF引起的防御激素水平調節(jié)被認為是啟動植物增強病原菌防御的重要因素。在共生關系建立的早期，植物內源水楊酸（SA）水平升高導致植物防御基因表達量升高，但這些基因隨后被抑制，從而導致AMF成功定殖。植物的一些激素變化可以限制AMF的定殖，而另一些則促進AMF的侵染。如AMF促進植物激素脫落酸（ABA）的產生，ABA在抗病反應中的作用是復雜的，取決于互作的階段和性質。有研究認為ABA能夠抑制SA依賴型防御生物病原菌的作用，并在早期通過如微生物相關分子模式（MAMP）誘導氣孔關閉、活性氧和細胞壁增強起到防御作用[23]。盡管ABA作為系統性MIR信號的潛在作用可能是短暫的，但其在植物木質部和韌皮部的移動性，使得該激素可能成為一個作為補充長距離MIR信號的候選激素，并引發(fā)細胞壁防御機制。

AMF在植物根系定殖后期，SA水平回落，宿主植物感知菌根分泌物傳遞的信號后形成ISR，產生茉莉酸（JA）和乙烯（ET）進行防御，由此激活JA途徑，因此JA很可能是通過ISR對MIR產生影響，但是JA能否作為ISR的內源信號尚待進一步研究。AMF與植物的共生體可以通過表達MIR保護植物免受病原菌攻擊，雖然MIR的作用機制尚不完全清楚，但MIR的確會增加防御酶活性或介導病程相關蛋白表達升高。

4 展望

我國是農業(yè)大國，減少化肥和農藥等農用人工化學品的使用，需要輔以有效的生物防治和生物肥料等措施。目前，我國對AMF的研究仍局限于實驗室階段，雖然已經有大量研究證明了AMF可以對植物生長過程起到有效調節(jié)作用，在農業(yè)生態(tài)系統中的病害逆境脅迫中也起到積極作用，但是AMF在農作物栽培中的應用仍然不足。除了AMF的培養(yǎng)技術需要進一步探索，還需要利用已經建立的AMF菌種庫資源，在設施栽培蔬菜、果樹林木、大田農作物、藥用植物等植物上的應用進行實踐探索，進一步系統地研究AMF提高植物抗病作用機制，并綜合考慮與其他有益菌群的配合作用。

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（責任編輯：張春雨）